（極）近距離煤層群上行開采巷道布置分析

馮萬里

（西山煤電集團(tuán)東曲煤礦，山西 太原 030200）

0 引言

當(dāng)前很多煤礦礦井中，隨著深度開采工作的進(jìn)行，易于開采的煤層基本采空，主采煤層也隨之變?yōu)檩^薄煤層，而這些較薄煤層通常以煤層群的方式分布。以往對于這些較薄煤層群的開采，多采用下行式開采，但如煤層開采區(qū)域頂板裂隙較為明顯則容易引發(fā)安全風(fēng)險問題，此時則需要采用上行式開采[1-2]。為此，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況，對上行開采工作及其巷道布置模式的優(yōu)化做進(jìn)一步研究。

1 項(xiàng)目概況

某煤礦開采區(qū)域內(nèi)為典型的較薄煤層群分布，該區(qū)域可采煤層分為三層，分別編號為C19、C20 和C24。整體來看，各個煤層均較為穩(wěn)定，厚度為1.0～1.2 m 不等，各煤層傾角均為15°，均為局部可采。當(dāng)前，該礦井主要針對C19 和C20 兩個煤層進(jìn)行回采作業(yè)，機(jī)巷設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)巷設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

概括而言，該礦井的工作面回采工藝為走向長壁后退式采煤法，主要分為以下幾部分：采用雙滾筒落煤方式，進(jìn)刀方式為端部斜切進(jìn)刀，滾筒截深為0.6 m，循環(huán)落煤進(jìn)度為0.6 m；采用裝煤機(jī)械和人工的方式相結(jié)合進(jìn)行裝煤；采用輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)煤作業(yè)；應(yīng)用液壓支架和支護(hù)面頂板進(jìn)行支護(hù)；針對采空區(qū)域，應(yīng)用自然垮落法進(jìn)行處理[3]。

2 上行開采方案布置及分析

2.1 回采巷道布置

在回采巷道布置環(huán)節(jié)，技術(shù)人員應(yīng)用FLAC3D 軟件對開采區(qū)域的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，基于分段積分方法，求解均布載荷在半無限體中的垂直應(yīng)力分布，而后使用MATLAB 軟件對應(yīng)力系數(shù)分布情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 附加垂直應(yīng)力系數(shù)分布情況

由圖2 可知，附加垂直應(yīng)力系數(shù)的分布呈現(xiàn)“泡狀”，垂直應(yīng)力隨著埋深的增加而非線性減小，同時可見該區(qū)域存在較為明顯的應(yīng)力集中。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，巷道上一煤層采空后也容易形成高應(yīng)力集中區(qū)域，因此為避免出現(xiàn)安全風(fēng)險，其關(guān)鍵則在于避免高應(yīng)力集中區(qū)的疊加。結(jié)合以上條件，最終確定采用平錯式布置方案，其示意圖如圖3 所示。

圖3 平錯式布置方案示意圖

由圖3 可知，在這種布置方案下，1 號和2 號兩個主要巷道錯開布置，這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)在于，上層煤柱開采的應(yīng)力對于2 號巷道幾乎不存在影響，因此也不需要進(jìn)行煤柱留設(shè)，有效提升了煤炭資源開采效率。

2.2 規(guī)劃開采順序

為避免各個煤層群的開采之間存在過多影響，在本環(huán)節(jié)的研究中，應(yīng)用比值判別法對開采順序進(jìn)行規(guī)劃，在該方法中，應(yīng)用相鄰煤層的層間距與下煤層采高兩個數(shù)值做除法運(yùn)算，得到一個系數(shù)k，據(jù)此判斷開采模式[4]。

根據(jù)前期勘查資料可知，在該礦井中，C19 與C20 兩個煤層的層間距為3 m，采高為1.4 m，C20 和C24 兩個煤層的層間距為10 m，采高為1.4 m。將其代入上述運(yùn)算方法中，得出兩個系數(shù)分別為2.1 和7.1，根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)可知，由于兩個系數(shù)均小于臨界值7.5，應(yīng)優(yōu)先采用煤層下行式開采。但從現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)來看，以往對類似情況進(jìn)行下行式開采后，工作面、采空區(qū)和機(jī)巷內(nèi)均存在嚴(yán)重積水現(xiàn)象，對安全和效率均造成嚴(yán)重制約。結(jié)合分析結(jié)果和實(shí)際情況，最終確定開采順序如下：對不同煤層間進(jìn)行下行式開采，同一煤層區(qū)段使用上行開采。

2.3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

為保證留巷效果，技術(shù)人員對巷旁支護(hù)方案進(jìn)行研究，綜合考慮支護(hù)體強(qiáng)度、施工可行性和經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素后，采用矸石袋寬幅支擋隔離技術(shù)進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)。在該技術(shù)模式下，采用矸石和雙頭螺紋式錨桿，并輔以鋼帶和鋼筋梯子梁等材料進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。矸石采用礦井現(xiàn)場掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的廢棄材料，經(jīng)過粉碎后采用0.8 m 規(guī)格的編織袋進(jìn)行裝袋，裝袋長度控制為0.6 m，封緊袋口后，進(jìn)行規(guī)則的堆碼和錨固。

3 現(xiàn)場礦壓觀測及分析

3.1 該礦井C19 煤層巷道變形觀測結(jié)果

為檢驗(yàn)本次巷道布置方案的可靠性，本環(huán)節(jié)采用激光斷面儀對該巷道進(jìn)行斷面掃描，掃描結(jié)果應(yīng)用專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析處理。根據(jù)工作面的實(shí)際位置，共計(jì)選擇3 個位置進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描結(jié)果判斷，三個斷面分別位于未受影響區(qū)，影響較弱區(qū)和超前支持應(yīng)力影響強(qiáng)烈區(qū)[5]，斷面收縮率分別為0.05、0.28和0.32。整體來看，C19 煤層巷道的主要問題在于超前支持應(yīng)力影響強(qiáng)烈區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的巷道變形情況較為突出，從斷面掃描處理圖（圖4）來看，其形狀已及其不規(guī)整，為規(guī)避上述問題，應(yīng)當(dāng)將超前加密支護(hù)部分予以增強(qiáng)處理，同時增大超前支護(hù)的距離。

圖4 斷面掃描處理圖

3.2 該礦井C24 煤層底抽巷測量結(jié)果

針對C24 煤層的測量仍采用激光掃描儀進(jìn)行測量，重點(diǎn)對該區(qū)域的1196 工作面進(jìn)行測量，測量結(jié)果分為以下幾個部分。

1）對超前支撐壓力影響區(qū)斷面的測量分析，分析結(jié)果顯示，該區(qū)域巷道收縮率為0.06，幾乎不存在變形情況，也基本不存在集中應(yīng)力影響。

2）對1196 工作面采空區(qū)下方斷面進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示，該區(qū)域部分存在積水，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)約150 mm 的底鼓，但兩幫基本無收斂，據(jù)此預(yù)測在開采過程中，超前支持壓力對C24 煤層不會產(chǎn)生明顯影響。

3）對1196 工作面采空區(qū)與該區(qū)段的煤柱交界處斷面進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示，該斷面巷道頂板出現(xiàn)約150 mm 的下沉，存在兩幫收斂約100 mm，且出現(xiàn)約270 mm 的底鼓。經(jīng)過初步分析，其主要原因是由于煤柱附近的集中應(yīng)力影響所致。

4）對1196 工作面所留煤柱下方斷層情況進(jìn)行分析，分析顯示，該部位出現(xiàn)近8 m 的斷層，并出現(xiàn)大面積垮落，垮落高度約為200 mm，整體變形情況較為嚴(yán)重，與斷層發(fā)育不無關(guān)聯(lián)，仍需采用加強(qiáng)支護(hù)措施予以解決。

3.3 該礦井C24 底抽巷斷面變形監(jiān)測

為進(jìn)一步了解C19 煤層開采如何影響C24 煤層斷面變形情況，在本環(huán)節(jié)中，結(jié)合施工圖紙，在該區(qū)域的編號1146 機(jī)巷中布置三個監(jiān)測斷面，每個斷面距離為30 m，能夠?qū)崿F(xiàn)對160 m 區(qū)段的監(jiān)測，主要監(jiān)測內(nèi)容如表1 所示。

表1 主要監(jiān)測內(nèi)容

據(jù)此對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，得出如下監(jiān)測結(jié)果：

1）巷道頂板壓力存在明顯上升，最大值約為14.2 MPa，推測是由于上覆巖層垮落所引起，但在推過1106 工作面后基本保持穩(wěn)定。

2）工作面在回采過程中，頂板最大離層值為45 mm，且頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量約為100 mm，證明引起斷面變形的主要原因是底鼓，為解決此問題，應(yīng)當(dāng)引入巷道排水措施加以解決。

4 結(jié)語

本次結(jié)合近距離煤層開采的實(shí)際情況，從回采巷道布置、開采順序和支護(hù)方案三個角度同時著手，對上行開采模式在近距離煤層群中的應(yīng)用進(jìn)行了較為詳細(xì)的探討，并應(yīng)用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，對上行開采過程中的主要指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對后續(xù)的工作提出相應(yīng)建議。總而言之，上行開采方案較為可行，但在后續(xù)工作中仍有待于進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。